改造細菌,把二氧化碳變燃料!── 廖俊智與合成生物學

運用合成生物學邁向淨零排放的未來

氣候變遷是本世紀最重大的環境課題,為了達到 2050 年溫室氣體淨零排放的目標,除了提高能源效率、生產再生能源,勢必也得將化石燃料產生的溫室氣體,轉化為再利用形式。在這個前提下,如何將二氧化碳變成永續性的燃料?中央研究院院長廖俊智團隊以合成生物學改造細菌基因,重新設計代謝路徑,讓細菌將二氧化碳等溫室氣體轉化成燃料與化學品,有效減少溫室氣體。2021 年廖俊智更獲得以色列總理獎,表彰他在生質能源研究的重大突破。
中研院廖俊智院長運用合成生物學,創造出可持續固碳的人工碳循環路徑,產出具永續性的生質燃料。圖│研之有物
中研院廖俊智院長運用合成生物學,創造出可持續固碳的人工碳循環路徑,產出具永續性的生質燃料。
圖│研之有物

科幻成真!?回收二氧化碳成為可用燃料

想像一下以下畫面:

白天你和家人在客廳聊天,呼出的二氧化碳被特殊的裝置吸收後,機器內經過改造的細菌,可將二氧化碳轉換成葡萄糖,到了晚上你就用這些糖泡咖啡。準備出門時,汽車沒油了,這次換另一種改造細菌吸收二氧化碳,之後便直接產出可用燃料。

以上這些如同科幻小說的場景,正在中研院廖俊智院長的實驗室中逐步成真。研究人員以合成生物學的技術,改造細菌基因,重新設計細胞代謝路徑後,這種合成細菌能吸收二氧化碳等溫室氣體,產出我們所需要的燃料或化學物質。

合成生物學是什麼?

雖然合成生物學也有修改生物基因,但與過去基因改造的規模完全不可同日而語。傳統基因改造,只能增加或剔除一到數個基因,並限定在優化或弱化細胞的某些特定功能,例如耐旱、抗蟲等。

合成生物學則可設計一條新的代謝路徑,修改所需之完整基因群,重寫細胞的功能——等同於重新設計細胞!例如:把大腸桿菌改造成只吃甲醇的細菌。

細胞的代謝,指的是細胞內一連串化學反應,可以是分解分子、取得能量,如細胞的呼吸作用;也可以是合成所需要的分子,如植物以光合作用合成葡萄糖。

過去,生物學家致力了解自然生物,基因改造只是其中一項技術。如今,人類已解碼生物的元件——細胞的結構,知道細胞在不同基因群的指揮下,會創造不同的代謝路徑,執行各種功能。

合成生物學立基於過去的知識積累,改造大量基因,創造出全新的代謝路徑。這好比設計一款新手機,是從舊的手機模組出發,大幅改變內部的半導體元件和電路,研發出全新功能。換句話說,合成生物學讓人類進入了可「設計生命」的時代。

合成生物學,就是以工程學的概念來重新設計細胞。

先設計,再演化!

具體來說,科學家會先決定想要的新功能(代謝路徑),不過細胞代謝與其控制基因的機制非常複雜,人類仍未完整地解開謎團,不可能事先知道所有需要修改的基因。因此合成生物學改造基因,不是如同過去一個個剪貼,而是先設計、再演化。

在設計階段,要先選取某些細菌細胞,改造一些基因,讓細胞非常靠近預期目標;接著再給予適當的環境,讓這些細胞自己演化,看看哪一株的後代會演化出想要的功能。

廖俊智比喻,這就像想要橫渡大洋,至少得先有一條船才能出發,航行途中再逐步完善細節,如將船身改造成流線形等等。

舉例來說,下圖是廖俊智在 2020 年發表合成嗜甲醇菌成果的研發過程。為了將大腸桿菌改造成只吃甲醇的合成細菌,並且產生可再利用的化學原料。研究團隊透過設計、定向進化、成像與基因定序,成功做出世界第一株「合成嗜甲醇菌」。

在廖俊智的合成嗜甲醇菌研究中,為了改變大腸桿菌代謝路徑,最重要就是初始設計與定向進化環節。初始設計為修改大腸桿菌基因,使其接近設定的功能,定向演化則為讓具有一樣初始條件的細菌分別演化,直到有一株細菌成功達到設定目標,也就是「合成嗜甲醇菌」。圖│研之有物(資料來源│廖俊智)
在廖俊智的合成嗜甲醇菌研究中,為了改變大腸桿菌代謝路徑,最重要就是初始設計與定向進化環節。初始設計為修改大腸桿菌基因,使其接近設定的功能,定向演化則為讓具有一樣初始條件的細菌分別演化,直到有一株細菌成功達到設定目標,也就是「合成嗜甲醇菌」。
圖│研之有物(資料來源│廖俊智)

以合成生物學技術,重新改造細胞的代謝路徑,一旦演化成功,細胞將可自行產生人類化學工程難以製造的複雜、精準的分子或細胞。

目前合成生物學聚焦在工業與醫藥領域,工業上是利用細菌工廠生產不同的燃料或化學分子,如廖俊智團隊改寫各種細菌的代謝途徑,成功製造燃料與化學品;醫藥領域則包括新興的癌症療法「CAR-T 免疫療法」,將 T 細胞重新改造,增強殺敵功力,對抗癌細胞更給力。

二氧化碳變燃料,對抗全球暖化危機

綜觀廖俊智的研究,核心關懷始終是以合成生物學解決全球暖化問題。他透過多篇論文,展示如何改變微生物的代謝途徑,將再生原料轉化為燃料與化學品。其中,將二氧化碳直接轉化為燃料,無疑是廖俊智最具原創性的成就之一!

過去,人們已經可以利用細菌生產燃料、抗生素或治癌藥物,但多以醣類為原料,因此需要種植甘蔗和玉米,不僅成本昂貴,把食物拿來當燃料也不是理想之舉。於是廖俊智思考,何不回到源頭,從二氧化碳開始著手呢?亦即以二氧化碳為原料,打造新的碳循環。

因為醣類是植物吸收二氧化碳後,經過光合作用產生,他溯源發想:我們是否能夠直接改造光合作用,讓植物只吸收二氧化碳,但不產糖、改產燃料,形成永續的碳循環?這樣一來既解決原料問題,也能消化目前只能封存、無法利用的巨量二氧化碳。

廖俊智十年磨一劍,發展各種實驗進路,在 2012 年,利用電力間接驅動微生物,執行二氧化碳的生物還原,成功將電能儲存在液態燃料(異丁醇)中。這是結合太陽能電池與微生物生化反應以生產燃料的世界首例,研究成果獲登於國際期刊《科學》(Science)。

圖│研之有物(資料來源│廖俊智)
圖│研之有物(資料來源│廖俊智)

故事要從光合作用說起……

要了解廖俊智如何完成從二氧化碳轉化為燃料,首先得了解什麼是光合作用?

光合作用分成兩個步驟,第一步是光反應,將光能變成化學能;第二步是利用這個化學能來固定二氧化碳,最終產生葡萄糖。

植物行光合作用即是大自然的固碳系統之一,光反應將光能變成化學能,再將化學能用來固定二氧化碳,最終產生葡萄糖。圖│研之有物
植物行光合作用即是大自然的固碳系統之一,光反應將光能變成化學能,再將化學能用來固定二氧化碳,最終產生葡萄糖。
圖│研之有物

光合作用是利用光激發葉片釋放電子,來還原二氧化碳中的碳。廖俊智則改以太陽能板的光電效應產生電子來驅動碳還原,能比生物更穩定、有效率地提供電子。另一個好處是,可藉此將太陽能板產生的電能轉為化學能儲存,解決太陽能儲存電能效率過低的問題。

有了電子來源之後,廖俊智團隊選擇 R. eutropha 細菌為修改對象,這種細菌沒有葉綠體,但當電極將溶液中的二氧化碳還原成甲酸(HCOO–)後,它會利用甲酸來合成化學能(NADPH),搭配溶液中的二氧化碳,來進行光合作用中的「固碳反應」,也就是卡爾文循環。

所謂「固碳」,是指將二氧化碳轉化成高碳數的化合物,使其不再逸散至空氣中,而能再次回收利用。

更重要的是,利用合成生物學技術,R. eutropha 細菌的代謝路徑被重新設計、演化,使這條「擬光合作用」路徑的最終產物不是葡萄糖,而是異丁醇(isobutanol),這種高碳數的醇類可作為汽油的代替物,或者加工成航空燃料。

廖俊智與團隊改造的微生物系統:透過細菌細胞的合成反應,先將電能轉換為化學能,再用化學能合成產出燃料。為了保護細菌不被電極產生的自由基影響,研究團隊加上一個陶瓷分隔層,在電極和細菌之間隔出一點距離,讓這些自由基在觸及細菌細胞前就先衰變。圖│研之有物(資料來源│Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols)
廖俊智與團隊改造的微生物系統:透過細菌細胞的合成反應,先將電能轉換為化學能,再用化學能合成產出燃料。為了保護細菌不被電極產生的自由基影響,研究團隊加上一個陶瓷分隔層,在電極和細菌之間隔出一點距離,讓這些自由基在觸及細菌細胞前就先衰變。
圖│研之有物(資料來源│Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols

世界第一株「合成嗜甲醇菌」

除了 R. eutropha 細菌和光合作用之外,廖俊智團隊也持續嘗試設計不同的人工碳循環,為減少碳排放開闢了更多可能性。

早在 2008 年,廖俊智即在《自然》(Nature)期刊發表以改造過的大腸桿菌合成出異丁醇,讓生質能源不再獨尊乙醇燃料,轉而發展高碳分子燃料。這項技術已技轉美國能源公司,應用在航空業的生質燃油製造。

2020 年,廖俊智研究團隊又有新戰績!團隊成功改造大腸桿菌,創造出世界第一株「合成嗜甲醇菌」,專門吃下由溫室氣體轉化而成的甲醇,並產出可再利用的燃料,甚至再轉化成各種生活化學產品,讓細菌成為貨真價實的化學工廠。研究論文於 2020 年 8 月登上《細胞》(Cell)期刊,被譽為「合成生物學的新標竿」。

廖俊智團隊改造大腸桿菌的代謝路徑,使其以甲醇為唯一的食物來源(碳源),將溫室氣體轉化成的甲醇,變成可再利用的燃料(例如:異丁醇)。圖│研之有物(資料來源│廖俊智)
廖俊智團隊改造大腸桿菌的代謝路徑,使其以甲醇為唯一的食物來源(碳源),將溫室氣體轉化成的甲醇,變成可再利用的燃料(例如:異丁醇)。
圖│研之有物(資料來源│廖俊智)

何謂合成嗜甲醇菌?對一般細菌而言具有毒性的甲醇,對嗜甲醇菌來說反而是可以代謝利用的資源。科學家很早就在研究是否能將這些細菌加以改造,使之吸收甲醇,製造人類的化學品。可惜,天然的嗜甲醇菌難以被改造。

於是科學家把焦點轉向,思索能否將其他細菌改造成嗜甲醇菌?但多年過去,仍遲遲未獲成果。

2020 年,廖俊智團隊發現:甲醇在進入一般細菌後,會使細胞內的 DNA 及蛋白質互相糾纏,導致細胞死亡。因此,研究團隊以獨創理論推測出大腸桿菌需被調控的關鍵酵素,並展開更嚴密的基因調控,避開這條死亡之路,終將大腸桿菌改造成嗜甲醇菌,而且生長速率接近天然嗜甲醇菌。

「這是中研院團隊獨力創造的成果。」廖俊智欣慰之餘,也特別提出研究突破來自中研院優秀人才長時間的熱忱投入、抽絲剝繭地探究問題的線索,加上院內先進的核心設施,才得以實現如此重大的成果。

數十年來,秉持著以合成生物學解決全球暖化問題的核心關懷,廖俊智每一篇在《自然》、《科學》等頂尖期刊上發表的論文,皆是航向這個目標的關鍵片段,如今也越來越接近完整輪廓。雖然前路仍充滿未知,但他相信:「不可能一次解決所有問題,但不用擔心,總是能想到解決方案。這就是科學的樂趣!」

All solutions have a problem, but all problems have a solution.(所有解決方案都會遇到問題,但所有問題也都將有解決方案。)

2021-11-30

採訪撰文黃曉君
美術設計林洵安

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